DE4129218A1 - Beschleunigungssensor, auf mikromechanischem wege hergestellt - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen auf mikromechanischem Wege hergestellten Beschleunigungssensor, mit einer seismischen Masse in einem zentralen Bereich des Sensors, getragen von einem oder mehreren von auslenk- oder schwingfähigen Armen/Aufhängungen/Befestigungen, wobei zum Schutz gegen Überlastung des Sensors elastische Schockabsorberstrukturen vorgesehen sind. Die Signalabnahme kann z. B. piezoresistiv oder kapazitiv erfolgen.

Die Erfindung geht aus von einem bekannten Feder-Masse-System (Fig. 1), bei dem eng dimensionierte Luftspalte (von Ätzgruben in Deckscheiben) zur Dämpfung dienen.

Grundgedanke der Erfindung ist es, elastische Anschläge in Form von frei stehenden ein- oder mehrseitig eingespannten Biegebalken in die Ätz­ gruben zu verlagern. Damit kann bei einer auftretbaren Überlastung eine weiche Begrenzung der Auslenkung der seismischen Masse erzielt werden, sowie der für eine Luftdämpfung erforderliche Luftspalt unabhängig davon dimensioniert werden.

Ein Beispiel einer Ausführungsform ist in Fig. 2 im Querschnitt, sowie in den Fig. 3 und 4 in Draufsicht bzw. in perspektivischer Darstellung gezeigt. Wesentlich ist hierbei, daß "Podeste" aus Silizium innerhalb der Ätzgrube stehenbleiben, deren Oberkanten den maximalen freien Aus­ lenkweg der seismischen Masse begrenzen. Diese Podeste sind kristallo­ graphisch entlang der (110) Richtung auf (100) Wafern ausgerichtet, um somit die laterale Unterätzung bei Verwendung der üblichen anisotropen Ätzlösungen (z. B. KOH) zu minimieren. Die eigentliche elastische Schock­ absorber-Struktur besteht aus einem Dünnfilm von ca. 1-3 µm Dicke. Da­ zu eignet sich insbesondere Polysilizium, das mit Hilfe von SiO₂-Schichten ätzresistent gegen übliche, anisotrope Ätzlösungen ge­ macht werden kann. Diese Struktur ist kristallographisch so auszurich­ ten, daß sie leicht anisotrop unterätzt werden kann, d. h. insbesondere, daß sie nicht parallel zu (110) angeordnet werden darf, sondern z. B. im 45°-Winkel dazu in (100) Richtung.

Neben Polysilizium können die Federelemente auch aus einem anderen Dünn­ filmmaterial hergestellt werden. Von besonderem Interesse sind z. B. ätz­ resistente Metalle wie Gold oder Platin.

Beschreibung des Herstellungsweges

Der Herstellungsprozeß verläuft z. B. so, daß zunächst die Ätzgrube bis zur Tiefe der Oberkante der Podeste geätzt wird. Dann wird das Silizium durch eine Oxidschicht geschützt und mit einer Polysiliziumschicht be­ deckt. Diese Polysiliziumschicht wird lithographisch und ätztechnisch so strukturisiert, daß die gewünschte Form der elastischen Strukturen ent­ steht. Anschließend wird die so freigelegte Poly-Si-Struktur durch eine weitere Oxidation an ihrer Oberfläche ätzresistent gemacht. Mit Hilfe eines weiteren Lithographie- oder Ätzschrittes wird das Oxid aus der Ätzgrube (außerhalb der Poly-Si-Strukturen) wieder entfernt. Durch einen anschließenden anisotropen Ätzschritt entsteht die endgültige Tiefe der Ätzgrube. Gleichzeitig werden die Poly-Si-Strukturen aufgrund ihrer kri­ stallographischen Ausrichtung von selbst geätzt.

Beschreibung weiterer Ausführungsformen

Die elastischen Schockabsorber-Strukturen können in vielfältiger Weise ausgeführt werden, solange sie die oben erwähnten kristallographischen Bedingungen erfüllen, die ihre laterale Unterätzbarkeit gewährleisten.

Im einfachsten Fall können einfache Zungenstrukturen in nichtparalleler Ausrichtung zur Ätzgrube gewählt werden. Dies ist als Draufsicht in Fig. 5 dargestellt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, V-förmige Struktu­ ren zu wählen (siehe Fig. 6). Fig. 7 zeigt eine geschlossene, ringförmi­ ge Ausführung der elastischen Struktur, Fig. 8 eine zur Fig. 7 abgewan­ delte Ausführung.

Die jeweilige Wahl und Dimensionierung der Ausführungsform hängt vom Meßbereich und der gewünschten Überlastfestigkeit des Sensors ab, sowie von seiner Geometrie, insbesondere davon, ob die seismische Masse ein- oder mehrseitig aufgehängt ist.

Zusätzlich zu der oben beschriebenen passiven Ausführungsform der ela­ stischen Anschläge besteht die Möglichkeit, sie durch ein geeignetes An­ regungsverfahren aktiv auslenkbar zu gestalten. Davon eignet sich insbe­ sondere eine elektrisch heizbare Bimetall-Ausführung der Federelemente. Dies kann z. B. durch die Materialkombination Polysilizium/Gold, die ei­ nen sehr unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besit­ zen, erreicht werden. Das Polysilizium kann gleichzeitig bei geeigneter elektrischer Kontaktierung die Rolle des Heizwiderstandes übernehmen.

Mit Hilfe solcher aktiver Federelemente ist es möglich, durch einen Stoß eine Feder mit kontrollierter Intensität auf die seismische Masse einen Selbsttest durchzuführen. Insbesondere können damit die prinzipielle Funktionsfähigkeit des Sensors sowie z. B. seine Eigenresonanz ermittelt werden.

Eine weitere Anwendung der aktiven Federelemente besteht darin, den Sen­ sor für einen vorgegebenen Zeitraum gezielt zu deaktivieren oder zu ak­ tivieren um einen besonders hohen Schutz bei vorhersehbaren Überlastun­ gen zu erzielen.

Ein Beispiel hierzu ist der Abschuß eines Flugkörpers, bei dem sehr hohe Beschleunigungen auftreten, die der Sensor nicht messen aber überleben können muß. In der späteren Flugphase muß der Sensor mit hoher Empfind­ lichkeit messen. Bei dieser Anwendung könnten die Federelemente während der Abschußphase die seismische Masse aktiv klammern, um sie in der spä­ teren Meßphase wieder freizugeben.

Der umgekehrte Fall liegt bei Sensoren vor, die vor ihrem Einbau in ein System ohne elektrische Versagung hohe Schockbelastungen, die z. B. beim Herunterfallen auf einen Betonboden auftreten können, überleben müssen. Hierzu können die elastischen Federelemente so mit einer mechanischen Vorspannung versehen werden, daß die seismische Masse im staulosen Zu­ stand bereits geklammert ist. Erst durch eine elektrische Aktivierung der Federelemente wird die seismische Masse zum gewünschten Zeitpunkt freigegeben, so daß dann eine Messung erfolgen kann.

Claims (8)

1. Beschleunigungssensor, auf mikromechanischem Wege hergestellt, mit einer seismischen Masse in einem zentralen Bereich des Sensors, ge­ tragen von einem oder mehreren auslenk- oder schwingfähigen Armen/Auf­ hängungen/Befestigungen, so daß die seismische Masse definiert in Bewe­ gung gesetzt werden kann, wobei er mit Luftspalten in einer oberen und einer unteren Deckscheibe versehen ist, die die Dämpfung bestimmen und wobei eine Schutzvorrichtung gegen Überlastung des Sensors vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere, vorzugsweise sym­ metrisch angeordnete Schockabsorberstrukturen auf eine Oberfläche des Sensors auf mikromechanischem Wege, insbesondere in Ätztechnik herge­ stellt sind.

2. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schockabsorberstrukturen oberhalb und unterhalb der seismischen Masse angeordnet sind und relativ zu dieser in Wirkverbindung treten können.

3. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schockabsorber als federnde Zungenelemente auf einem oder mehreren Auflagern frei stehend ausgeführt sind.

4. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schockabsorber in geschlossener Ringform angeordnet sind.

5. Beschleunigungssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schockabsorber in Ringform wenigstens vier Auflager aufweist.

6. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß daß er zum Selbsttest dadurch ausgebildet ist, daß die Federelemente durch ein geeignetes Antriebselement, z. B. durch eine heizbare Bimetallanordnung willentlich und kontrolliert zu einem gewünschten Testzeitpunkt ausgelenkt werden können.

7. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die seismische Masse durch willentlich auslenkbare Federelemente festgehalten werden können und damit der Sen­ sor für eine kontrollierte Zeitdauer deaktiviert werden kann.

8. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die seismische Masse durch vorgespannte Federelemente im staulosen Zustand inaktiviert (geklammert) ist, und diese Klammerung erst bei Bedarf durch Betätigung der Federelemente für eine kontrollierte Zeitdauer aufgehoben wird.